李 鎮(zhèn)，張文博，呂佼容，駱 漢,，謝永生,

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

隨著城市化、工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國(guó)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量明顯增多，由其引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在施工等人為擾動(dòng)下產(chǎn)生大量棄土棄渣，這種由大量棄土棄渣混合堆積形成的松散堆積體稱為工程堆積體。工程堆積體坡面較陡，下墊面各異，抗沖性、穩(wěn)定性差，比起常見(jiàn)的坡面，因堆棄時(shí)間短、表面裸露、防護(hù)措施不當(dāng)?shù)仍?，更易在降雨作用下引發(fā)強(qiáng)烈的土壤侵蝕，甚至發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

野外降雨試驗(yàn)通常以自然邊坡和人工邊坡為研究對(duì)象，雨強(qiáng)、降雨量等受天氣等環(huán)境因素影響較多，室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)多以人為控制來(lái)改變土壤容重、密度和含水率，對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行過(guò)篩分、去除雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)材料的一致性，但這樣處理不能很好地與實(shí)際條件相符合。對(duì)工程堆積體進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨時(shí)，會(huì)對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行處理以保證下墊面的一致性，這種處理一般會(huì)導(dǎo)致工程堆積體中大量的結(jié)構(gòu)體缺失，而通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程堆積體中存在大量的土壤結(jié)構(gòu)體，這種含有結(jié)構(gòu)體的工程堆積體因存在團(tuán)粒、巨粒土、固結(jié)土塊等，土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)多樣，坡面更容易引發(fā)侵蝕和崩塌等災(zāi)害。結(jié)構(gòu)體為土壤顆粒通過(guò)團(tuán)聚作用而形成的形狀大小各不相同的土塊，對(duì)土壤質(zhì)量演變和退化過(guò)程具有重要影響。中國(guó)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體劃分為片狀、粒狀、塊狀、棱(角)塊狀和棱柱狀結(jié)構(gòu)5種類型，大部分對(duì)工程堆積體土壤侵蝕的土壤粒徑研究范圍集中在0.01～0.50 mm，而對(duì)更大粒徑的土壤結(jié)構(gòu)體研究相對(duì)較少。含有結(jié)構(gòu)體的工程堆積體與工程堆積體徑流侵蝕過(guò)程之間的異同尚不清楚，對(duì)含有結(jié)構(gòu)體工程堆積體徑流侵蝕的研究，闡述兩者試驗(yàn)差異，使得工程堆積體徑流侵蝕的研究?jī)?nèi)容更加符合實(shí)際，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。李毅等研究了黃土坡面連續(xù)降雨的水分入滲分布特性，得到后續(xù)場(chǎng)次的降雨與入滲速率的差異不大；蔣芳市等研究了多場(chǎng)次降雨坡面溝蝕發(fā)育表明，極端連續(xù)降雨下侵蝕產(chǎn)沙差異較大；袁和第等運(yùn)用連續(xù)較多場(chǎng)次降雨試驗(yàn)來(lái)研究褐土坡面侵蝕表明，平均流速與徑流產(chǎn)沙量關(guān)系最為顯著。徑流侵蝕的發(fā)生不僅與雨強(qiáng)有關(guān)，連續(xù)降雨過(guò)程對(duì)徑流侵蝕的影響更加重要，對(duì)雨強(qiáng)和降雨場(chǎng)次的綜合分析才能夠明晰次降雨對(duì)工程堆積體徑流侵蝕的影響。

為此，本試驗(yàn)采用室內(nèi)人工模擬降雨的方法，利用錐狀試驗(yàn)裝置，以工程堆積體是否過(guò)篩及土塊質(zhì)量占比來(lái)研究含結(jié)構(gòu)體工程堆積體和對(duì)照組(不含結(jié)構(gòu)體工程堆積體)這2種試驗(yàn)材料土壤侵蝕過(guò)程及差異，揭示其徑流特征和侵蝕規(guī)律，使對(duì)工程堆積體的研究更加接近實(shí)際，為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失防治以及工程堆積體土壤侵蝕量測(cè)算模型的完善提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)于2019年6—9月在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所人工模擬降雨大廳下噴區(qū)進(jìn)行。人工模擬降雨大廳降雨高度為18 m，可模擬雨滴落地終點(diǎn)速度，降雨均勻度在80%以上。試驗(yàn)裝置(圖1)為1個(gè)底面為正方形的1/4錐狀槽(底邊長(zhǎng)3.50 m，高2.50 m)，鄰邊為2個(gè)三角形擋板(長(zhǎng)3.50 m，高2.50 m)，兩鄰邊設(shè)有凹槽集流，集流槽匯集之處連接出水口。試驗(yàn)所用土壤取自陜西楊陵，為粉砂質(zhì)黏土質(zhì)地，土壤機(jī)械組成為：<0.01 mm占比65.38%，0.01～0.05 mm占比21.38%，0.05～0.10 mm占比1.23%，0.10～0.25 mm占比9.78%，0.25～0.50 mm占比0.41%，>0.05 mm占比1.82%。堆積體所用土壤過(guò)5 mm篩，人工剔除過(guò)篩后粒徑較大的土塊及其他雜質(zhì)，控制堆積體土壤中團(tuán)粒和土塊數(shù)量，測(cè)得粒徑介于5～20 mm的細(xì)小土塊質(zhì)量占比小于2%，結(jié)構(gòu)體所用土壤不過(guò)篩，人工去除結(jié)構(gòu)體中雜質(zhì)，通過(guò)人工測(cè)量和網(wǎng)篩篩選測(cè)得粒徑介于0.5～20 mm的結(jié)構(gòu)體較多，含有較多粒狀、塊狀結(jié)構(gòu)和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，測(cè)得粒徑介于5～20 mm的細(xì)小土塊質(zhì)量占比大于10%。故含結(jié)構(gòu)體工程堆積體為試驗(yàn)用土不過(guò)篩且具有較多團(tuán)粒及粒狀、塊狀結(jié)構(gòu)，具有粒徑5 mm以上的土塊且質(zhì)量占比不少于10%，工程堆積體為試驗(yàn)用土過(guò)篩，具有少量或不具有土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，粒徑大于5 mm土塊質(zhì)量占比小于2%。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體坡面和堆積體坡面2種類型的下墊面，1.0，1.5，2.0 mm/min 3種降雨強(qiáng)度，每個(gè)雨強(qiáng)下連續(xù)3場(chǎng)降雨，每場(chǎng)降雨45 min，每場(chǎng)間隔24 h，重復(fù)試驗(yàn)2次，共計(jì)36場(chǎng)降雨。使用傳送帶將堆積體上傳至裝置上方落下，經(jīng)自然堆積以及人工微調(diào)后形成半徑3.50 m，高2.25 m，坡長(zhǎng)4.20 m，坡度33°±2°的1/4圓錐松散堆積體坡面。堆積體坡面土壤容重為1.04～1.15 g/cm，結(jié)構(gòu)體的堆積方法與堆積體相同，每次堆積完成后靜置24 h，第1場(chǎng)試驗(yàn)前，通過(guò)陰干或?yàn)⑺姆椒ū３滞寥篮试?5%左右。

試驗(yàn)前先用塑料布蓋好裝置，多點(diǎn)率定雨強(qiáng)使其誤差不超過(guò)5%。待雨強(qiáng)穩(wěn)定后迅速揭開(kāi)塑料布并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)坡面產(chǎn)生薄層狀水流并流至集流槽時(shí)，產(chǎn)流開(kāi)始，記錄產(chǎn)流歷時(shí)并重新計(jì)時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)。產(chǎn)流后前4 min每隔1 min接1次徑流樣，之后每隔2 min接1次，取樣數(shù)22個(gè)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)40 min。降雨同時(shí)，在坡面鄰邊位置由上至下分設(shè)3個(gè)1 m長(zhǎng)的觀測(cè)坡段，在每次接樣后用染色劑法測(cè)定3個(gè)坡段的流速，求其平均值，再乘以修正系數(shù)0.75作為斷面平均流速。降雨結(jié)束后，讀取徑流樣體積，用天平稱取質(zhì)量后，靜置12 h后倒掉上層清液，用烘干稱重法稱取泥沙質(zhì)量。用塑料布遮蓋裝置靜置24 h后開(kāi)始下1場(chǎng)降雨試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2019，檢驗(yàn)分析采用SPSS 25軟件，繪圖采用Origin 2021b軟件。

(1)流速()：采用染色劑法(KMnO)，測(cè)距為1.5 m。

(2)徑流率()：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)徑流體積，計(jì)算公式為

(1)

式中：為徑流率(L/min)；為(s)時(shí)間內(nèi)渾水質(zhì)量(g)；為(s)時(shí)間泥沙干重(g)；為水的密度(1.0 g/cm)；為徑流樣取樣時(shí)間(s)。

(3)侵蝕速率()：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積內(nèi)泥沙運(yùn)移質(zhì)量，計(jì)算公式為

(2)

式中：為侵蝕速率(g/(m·s))；為堆積體坡面的面積(m)。

(4)徑流深()：測(cè)量時(shí)間內(nèi)平均徑流深度(m)，計(jì)算公式為

(3)

式中：為(s)時(shí)間內(nèi)測(cè)得的徑流量(m)；為坡面流速(m/s)；為過(guò)水?dāng)嗝鎸挾?m)，這里取錐形堆積體底面1/4周長(zhǎng)的1/2(2.75 m)作為過(guò)水?dāng)嗝鎸挾取?/p>

(5)徑流剪切力()：引起坡面土壤顆粒分離運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ?jì)算公式為

=···

(4)

式中：為徑流剪切力(Pa或N/m)；渾水密度(kg/m)；為重力加速度(9.8 m/s)；為水力半徑(m)，本試驗(yàn)條件下可近似用徑流深代替；為水力坡降，用坡度的正弦值替換(m/m)。

(6)徑流功率()：水流作用于單位面積上的土體所消耗的功率，計(jì)算公式為

=·

(5)

式中：為水流功率(N/(m·s))。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面徑流特征

2.1.1 初產(chǎn)歷時(shí) 初產(chǎn)歷時(shí)為開(kāi)始降雨到坡面產(chǎn)生薄層水流流進(jìn)集流槽的時(shí)間。降雨強(qiáng)度、降雨場(chǎng)次對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體初產(chǎn)歷時(shí)的影響規(guī)律大致相同(圖2)。同一雨強(qiáng)下堆積體和結(jié)構(gòu)體的第1場(chǎng)試驗(yàn)的初產(chǎn)歷時(shí)均大于后2場(chǎng)，且隨著雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加初產(chǎn)歷時(shí)逐漸減小，這是由于初產(chǎn)歷時(shí)主要受坡度、地形地貌、土壤特性及地表覆蓋等下墊面因素的影響。3種雨強(qiáng)下，堆積體后續(xù)2場(chǎng)試驗(yàn)初產(chǎn)歷時(shí)分別比第1場(chǎng)縮短40.33%～50.62%，27.07%～46.99%，21.43%～38.78%，結(jié)構(gòu)體后續(xù)2場(chǎng)試驗(yàn)初產(chǎn)歷時(shí)分別比第1場(chǎng)縮短19.05%～40.63%，20.49%～49.27%，44.74%～53.68%。第1場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，初產(chǎn)歷時(shí)為降雨完全入滲的時(shí)段且隨著時(shí)間的推移，降雨入滲達(dá)到飽和形成超滲產(chǎn)流轉(zhuǎn)化為坡面徑流，后續(xù)2場(chǎng)降雨試驗(yàn)中，堆積體和結(jié)構(gòu)體初始含水率較高，達(dá)到飽和入滲所需的時(shí)間較短，能夠較第1場(chǎng)試驗(yàn)更快速進(jìn)入產(chǎn)流過(guò)程。堆積體和結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強(qiáng)下的初產(chǎn)歷時(shí)均比1.5，2.0 mm/min的雨強(qiáng)延長(zhǎng)，且3種雨強(qiáng)下，結(jié)構(gòu)體的平均初產(chǎn)歷時(shí)分別比堆積體延長(zhǎng)1.49，1.57，1.63倍。2.0 mm/min對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面的微地形和入滲率的影響程度較大，一方面大雨強(qiáng)能夠縮短達(dá)到飽和入滲的時(shí)間，加快超滲產(chǎn)流的形成；另一方面，雨滴滴濺促使堆積體和結(jié)構(gòu)體小顆粒分離阻塞大孔隙及間隙，使得入滲速率減小。結(jié)構(gòu)體較堆積體對(duì)坡面徑流的產(chǎn)生有延遲作用，堆積體土壤介質(zhì)較為均勻且連續(xù)，地表糙度和起伏度均比結(jié)構(gòu)體小，降雨時(shí)能夠較快形成徑流，結(jié)構(gòu)體存在的大孔隙、塊狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致坡面凹凸不平，土壤介質(zhì)不連續(xù)、坡面不平整等因素導(dǎo)致降雨初始時(shí)有較多的雨水入滲，而坡面許多細(xì)小坑洼能夠匯集降雨，截留坡面徑流，從而延長(zhǎng)坡面出現(xiàn)徑流的時(shí)間。

圖2 初產(chǎn)歷時(shí)隨雨強(qiáng)的變化

2.1.2 坡面流速 各雨強(qiáng)條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面流速隨產(chǎn)流時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖3。流速的變化趨勢(shì)為開(kāi)始時(shí)迅速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛鲩L(zhǎng)直到趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強(qiáng)下，3場(chǎng)試驗(yàn)的流速在0～7 min內(nèi)迅速增長(zhǎng)，在7 min后緩慢增長(zhǎng)，流速介于0.07～0.11 m/s，1.5 mm/min雨強(qiáng)下，3場(chǎng)試驗(yàn)的流速在0～12 min內(nèi)迅速增長(zhǎng)，在12 min后波動(dòng)增長(zhǎng)，流速介于0.09～0.13 m/s，2.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，3場(chǎng)試驗(yàn)的流速變化幅度不大，均呈現(xiàn)緩慢且波動(dòng)增長(zhǎng)，流速介于0.10～0.13 m/s。3種雨強(qiáng)下結(jié)構(gòu)體流速的變異系數(shù)分別介于0.05～0.13，0.04～0.08，0.04～0.06，隨著雨強(qiáng)的增大，坡面流速的初始值和穩(wěn)定后的流速逐漸增大，流速在場(chǎng)次間遵循隨著雨強(qiáng)的增大，變異系數(shù)逐漸減小，流速的變化幅度減小。相比于結(jié)構(gòu)體，堆積體在3種雨強(qiáng)下流速的變化過(guò)程類似，堆積體初始及穩(wěn)定時(shí)的流速差異不大，不同場(chǎng)次、雨強(qiáng)下的流速變化較為集中，變異系數(shù)依次減小。對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體流速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間進(jìn)行分析可知，堆積體流速在試驗(yàn)的過(guò)程中勻速增加，且在30 min后放緩，而結(jié)構(gòu)體平均達(dá)到穩(wěn)定流速的時(shí)間比結(jié)構(gòu)體提前約20 min。3種雨強(qiáng)下，堆積體的平均流速分別是結(jié)構(gòu)體的1.22，1.12，1.14倍(表1)，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)和表面突起，當(dāng)坡面產(chǎn)生徑流時(shí)，結(jié)構(gòu)體對(duì)徑流的阻力較大且具有較長(zhǎng)的流動(dòng)路徑。

圖3 坡面流速隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

2.1.3 坡面徑流率 各雨強(qiáng)條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面徑流率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化遵循先迅速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律(圖4)。堆積體和結(jié)構(gòu)體徑流率的變化范圍分別為4.58～21.12，1.80～19.75 L/min，試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束時(shí)徑流率的最小值及穩(wěn)定時(shí)的最大值均隨雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加而增大。結(jié)構(gòu)體1.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，徑流率在產(chǎn)流后到試驗(yàn)結(jié)束，以7 min為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，由勻速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛鲩L(zhǎng)，3場(chǎng)試驗(yàn)的變異系數(shù)介于0.16～0.27，第2，3場(chǎng)降雨試驗(yàn)平均徑流率的增幅分別是第1場(chǎng)的40.71%，76.33%。1.5，2.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，徑流率均在產(chǎn)流后的0～7 min內(nèi)迅速增加，在7 min后，波動(dòng)增加并趨于穩(wěn)定，2種雨強(qiáng)下，變異系數(shù)分別介于0.07～0.11和0.07～0.20，而后2場(chǎng)試驗(yàn)平均徑流率的增幅分別是第1場(chǎng)的28.66%，44.72%和22.96%，26.45%。堆積體1.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，徑流率在產(chǎn)流后的0～7 min內(nèi)迅速增加，在7 min后緩慢增加并逐漸穩(wěn)定，第2，3場(chǎng)降雨試驗(yàn)平均徑流率的增幅分別是第1場(chǎng)的22.87%和34.90%，1.5，2.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，徑流率在產(chǎn)流后的0～12 min內(nèi)迅速增加，在12 min后波動(dòng)增加并趨于穩(wěn)定，第2，3場(chǎng)試驗(yàn)平均徑流率的增幅分別是第1場(chǎng)的6.86%，17.98%和5.35%，13.99%。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，堆積體的徑流率波動(dòng)幅度及每場(chǎng)降雨徑流率的增幅均小于結(jié)構(gòu)體，這是因?yàn)槎逊e體坡面起伏程度較小，坡面土壤較為均勻，對(duì)降雨的阻滯作用較小，結(jié)構(gòu)體因?yàn)楸砻婕?xì)小坑洼及蓄水的緣故，徑流過(guò)程不穩(wěn)定。

圖4 坡面徑流率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

分析徑流率由快速轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的時(shí)間及表1中各雨強(qiáng)、場(chǎng)次平均徑流率可知，結(jié)構(gòu)體徑流率迅速增長(zhǎng)的時(shí)間比堆積體縮短32.26%，穩(wěn)定的時(shí)間也較堆積體提前，3種雨強(qiáng)下結(jié)構(gòu)體平均徑流率分別是堆積體的0.73，0.85，0.90倍。

表1 各降雨條件下的平均流速(V)、平均徑流率(Q)和平均侵蝕速率(E)

2.2 坡面侵蝕特征

各降雨條件下，堆積體和結(jié)構(gòu)體坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖5。堆積體的侵蝕速率隨降雨時(shí)間、雨強(qiáng)的增長(zhǎng)呈現(xiàn)緩慢且波動(dòng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。同一雨強(qiáng)下，堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率均隨著場(chǎng)次的增加而減小。堆積體1.0 mm/min雨強(qiáng)時(shí)，連續(xù)3場(chǎng)降雨侵蝕速率介于0.03～0.09g/(m·s)，變異系數(shù)介于0.11～0.18，且第2，3場(chǎng)侵蝕速率分別是第1場(chǎng)的0.72，0.52倍，而當(dāng)雨強(qiáng)增大到1.5 mm/min時(shí)，侵蝕速率增大到0.10～0.20 g/(m·s)，侵蝕速率的波動(dòng)幅度也開(kāi)始減小，變異系數(shù)介于0.09～0.04，且第2，3場(chǎng)侵蝕速率分別是第1場(chǎng)的0.93，0.76倍，當(dāng)雨強(qiáng)為2.0 mm/min時(shí)，侵蝕速率最大為第1場(chǎng)的0.42 g/(m·s)，最小為第3場(chǎng)的0.19 g/(m·s)，且第2，3場(chǎng)侵蝕速率分別是第1場(chǎng)的0.76，0.64倍。3種雨強(qiáng)下堆積體平均侵蝕速率分別是0.05，0.15，0.29 g/(m·s)(表1)，其中1.5，2.0 mm/min雨強(qiáng)的平均侵蝕速率分別是1.0 mm/min的3.16，5.83倍。結(jié)構(gòu)體在1.0 mm/min時(shí)，平均侵蝕速率是堆積體的1.33倍，并且隨著雨強(qiáng)的增大侵蝕速率也較堆積體增長(zhǎng)更快，當(dāng)雨強(qiáng)為1.5，2.0 mm/min時(shí)，平均侵蝕速率分別是堆積體的2.80，2.56倍。結(jié)構(gòu)體不同雨強(qiáng)下平均侵蝕速率差異較大，其中1.5，2.0 mm/min雨強(qiáng)的平均侵蝕速率分別是小雨強(qiáng)的6.64，11.19倍。這是因?yàn)樾∮陱?qiáng)時(shí)，結(jié)構(gòu)體與堆積體的侵蝕速率主要受徑流率影響，點(diǎn)繪條件下對(duì)徑流率和侵蝕速率進(jìn)行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)兩者具有顯著的線性相關(guān)(<0.05)，堆積體的相關(guān)系數(shù)介于0.65～0.81，結(jié)構(gòu)體的相關(guān)系數(shù)介于0.75～0.91。2.0 mm/min時(shí)，結(jié)構(gòu)體因含有塊狀結(jié)構(gòu)、細(xì)小顆粒較大以及不平整的坡面，侵蝕速率受徑流搬運(yùn)能力影響程度較堆積體更加顯著，而堆積體徑流率穩(wěn)定的時(shí)間較結(jié)構(gòu)體提前，能夠更快達(dá)到穩(wěn)定的侵蝕速率。結(jié)構(gòu)體侵蝕速率的波動(dòng)程度較大，變異系數(shù)介于0.26～0.37，尤其是1.5 mm/min時(shí)，侵蝕速率相差0.85 g/(m·s)，且第1場(chǎng)降雨的平均侵蝕速率是第3場(chǎng)的2.03倍，這是由于第1場(chǎng)降雨徑流搬運(yùn)大量的泥沙顆粒，后續(xù)場(chǎng)次降雨的擊濺破壞坡面孔隙結(jié)構(gòu)，細(xì)小顆粒堵塞坡面孔隙，且在坡面結(jié)實(shí)，不利于泥沙的搬運(yùn)。

圖5 坡面侵蝕速率隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

各個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)次的總侵蝕量隨雨強(qiáng)的變化見(jiàn)圖6。總侵蝕量隨場(chǎng)次的增加而減小，隨雨強(qiáng)的增加而增大。擬合后發(fā)現(xiàn)總侵蝕量與雨強(qiáng)存在線性相關(guān)關(guān)系：=+，=5.45～8.18，=-6.69～-4.50，=0.95～0.99；=+，=16.16～21.47，=-17.98～-15.03，=0.89～0.99。式中：、分別為堆積體、結(jié)構(gòu)體總侵蝕量；為降雨強(qiáng)度；、為常數(shù)。1.0 mm/min時(shí)，堆積體與結(jié)構(gòu)體3場(chǎng)降雨的總侵蝕量相差不大，而當(dāng)雨強(qiáng)增大時(shí)，結(jié)構(gòu)體的侵蝕總量顯著大于堆積體，是堆積體的2.89～3.93倍，而對(duì)于同一雨強(qiáng)的3場(chǎng)降雨來(lái)說(shuō)，總侵蝕量隨著雨強(qiáng)的增加在場(chǎng)次間遞減的幅度越來(lái)越大。

圖6 不同場(chǎng)次總侵蝕量隨降雨強(qiáng)度的變化

結(jié)構(gòu)體1.5 mm/min雨強(qiáng)3場(chǎng)降雨的總侵蝕量遞減幅度最為明顯，后2場(chǎng)的侵蝕量分別比第1場(chǎng)減小33.40%，50.67%。

為分析雨強(qiáng)、場(chǎng)次及其交互作用對(duì)流速、徑流率及侵蝕速率影響程度，進(jìn)行多因素方差分析得到表2?？芍陱?qiáng)和場(chǎng)次對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體的流速、徑流率及侵蝕速率具有極其顯著影響(<0.01)，且雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率大于降雨場(chǎng)次，對(duì)3種指標(biāo)的影響程度也是雨強(qiáng)大于降雨場(chǎng)次，說(shuō)明雨強(qiáng)對(duì)3種指標(biāo)的影響起決定性作用。堆積體雨強(qiáng)和場(chǎng)次對(duì)流速的解釋程度為0.58，而對(duì)徑流率和侵蝕速率的解釋程度分別為0.94和0.96，其中雨強(qiáng)對(duì)徑流率和侵蝕速率的貢獻(xiàn)率均高于85%，而雨強(qiáng)和場(chǎng)次的交互作用只對(duì)侵蝕速率有顯著影響，兩者交互作用對(duì)侵蝕速率的貢獻(xiàn)率為3.1%，對(duì)侵蝕速率的影響為大效應(yīng)(>0.14)。結(jié)構(gòu)體中雨強(qiáng)和場(chǎng)次對(duì)流速的影響程度為雨強(qiáng)略大于場(chǎng)次，兩者的交互作用較為明顯，對(duì)流速的貢獻(xiàn)率為6.7%，而雨強(qiáng)和場(chǎng)次對(duì)徑流率和侵蝕速率的影響則與堆積體相似，雨強(qiáng)的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于降雨場(chǎng)次，而雨強(qiáng)和場(chǎng)次的交互作用對(duì)侵蝕速率的影響為中效應(yīng)(0.06<<0.14)。

表2 雨強(qiáng)、場(chǎng)次對(duì)流速、徑流率及侵蝕速率影響的顯著性

2.3 坡面水動(dòng)力學(xué)特征

徑流剪切力和徑流功率能夠很好地解釋堆積體和結(jié)構(gòu)體的坡面侵蝕過(guò)程，對(duì)徑流剪切力、徑流功率和侵蝕速率進(jìn)行點(diǎn)繪擬合，徑流剪切力與侵蝕速率具有較好的冪函數(shù)關(guān)系：=，=0.05～117.77，=0.75～6.80，=0.22～0.90，<0.01。式中：為侵蝕速率；為徑流剪切力；、為常數(shù))(圖7)，而徑流功率與侵蝕速率具有顯著的線性關(guān)系：=+，=-886.56～11.51，=98.38～4547.36，=0.34～0.92，<0.01，為徑流功率，、為常數(shù))(圖8)。整體來(lái)看，結(jié)構(gòu)體徑流剪切力、徑流功率與侵蝕速率的相關(guān)性較堆積體高，其中結(jié)構(gòu)體與堆積體均()>()，說(shuō)明徑流功率是描述兩者坡面侵蝕的更優(yōu)參數(shù)。3種雨強(qiáng)下堆積體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力依次增大，而同一雨強(qiáng)不同場(chǎng)次間臨界徑流剪切力只在1.0 mm/min時(shí)依次增大，1.5 mm/min時(shí)，第2場(chǎng)試驗(yàn)的臨界徑流剪切力大于第1，3場(chǎng)，而當(dāng)2.0 mm/min時(shí)，后續(xù)降雨的徑流剪切力與侵蝕速率的關(guān)系不顯著。結(jié)構(gòu)體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力均隨雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加而增大，但臨界徑流剪切與對(duì)應(yīng)的堆積體相比均較小，說(shuō)明相同條件下，結(jié)構(gòu)體比堆積體需要更小的臨界徑流剪切力影響侵蝕過(guò)程的發(fā)生。同一雨強(qiáng)下堆積體土壤可蝕性參數(shù)隨著降雨場(chǎng)次逐漸減小(—的線性擬合圖中，斜率逐漸減小)，而發(fā)生臨界侵蝕所需要的徑流功率依次增大。以1.5 mm/min結(jié)構(gòu)體徑流功率與侵蝕速率關(guān)系為例，隨著場(chǎng)次增加，土壤可蝕性參數(shù)依次減小，分別為4.54，2.40，1.96 s/m，臨界徑流功率依次增大，分別為0.14，0.17，0.26 N/(m·s)，而1.5 mm/min堆積體3場(chǎng)降雨的土壤可蝕性參數(shù)分別為0.43，0.61，0.28 s/m，臨界徑流功率分別為0.08，0.24，0.05 N/(m·s)，可以得到1.5 mm/min雨強(qiáng)下，結(jié)構(gòu)體的平均土壤可蝕性參數(shù)和平均臨界徑流功率均分別比堆積體的大6.74，1.56倍。不同雨強(qiáng)間堆積體與結(jié)構(gòu)體的平均土壤可蝕性參數(shù)隨著雨強(qiáng)的增大而增大，其中堆積體土壤可蝕性參數(shù)的變化幅度介于0.10～0.70 s/m，而結(jié)構(gòu)體在0.22～4.54 s/m。對(duì)比所有發(fā)生侵蝕的臨界徑流功率可知，臨界徑流功率基本遵循隨雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加而增大的規(guī)律，這說(shuō)明降雨場(chǎng)次會(huì)提高引起侵蝕過(guò)程發(fā)生的臨界徑流功率的閾值，減小發(fā)生侵蝕時(shí)的土壤可蝕性參數(shù)，而結(jié)構(gòu)體引起侵蝕過(guò)程發(fā)生的臨界徑流功率均比堆積體小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體更容易受到徑流的影響而發(fā)生侵蝕。

圖7 侵蝕速率與徑流剪切力的關(guān)系

圖8 侵蝕速率與徑流功率的關(guān)系

3 討 論

初產(chǎn)歷時(shí)作為降雨試驗(yàn)中一個(gè)容易觀測(cè)的指標(biāo)，能夠直觀反映坡面對(duì)徑流的延遲時(shí)間并以此分析坡面對(duì)徑流的延緩作用，這一結(jié)論與方榮杰等和袁建平等試驗(yàn)結(jié)論一致。不同雨強(qiáng)和場(chǎng)次下，堆積體和結(jié)構(gòu)體具有不同的初始土壤含水率和入滲速率，造成這一差異的原因是結(jié)構(gòu)體的土壤特性和下墊面特征各異，結(jié)構(gòu)體表面粗糙程度較大，內(nèi)部具有更多的孔隙結(jié)構(gòu)，小雨強(qiáng)時(shí)雨水更容易入滲到內(nèi)部孔隙，土壤含水率在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部差異比堆積體小，而大雨強(qiáng)時(shí)兩者均容易發(fā)生超滲產(chǎn)流，大雨強(qiáng)徑流延緩主要原因?yàn)槌跏己什煌?。?chǎng)次對(duì)初產(chǎn)歷時(shí)的影響體現(xiàn)在連續(xù)場(chǎng)次間的時(shí)間間隔內(nèi)，堆積體和結(jié)構(gòu)體初始含水率下降的速率，在每次試驗(yàn)前較低的初始含水率能夠更好地延緩徑流的產(chǎn)生。流速、徑流率變化規(guī)律一致，都遵循隨產(chǎn)流時(shí)間先快速增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律(圖3、圖4)。這一變化過(guò)程與呂佼容等試驗(yàn)結(jié)論相似，原因?yàn)榻涤甑膿魹R過(guò)程引起土壤表層結(jié)皮發(fā)育，促進(jìn)產(chǎn)流形成，與此同時(shí)堆積體和結(jié)構(gòu)體的入滲速率開(kāi)始減小直到坡面徑流穩(wěn)定時(shí)，入滲速率達(dá)到最小，此時(shí)的徑流率和流速達(dá)到最大值，而袁和第等認(rèn)為，平均流速隨降雨場(chǎng)次的增加而減小，較少連續(xù)場(chǎng)次降雨平均流速隨場(chǎng)次增大，而多場(chǎng)次平均流速逐漸減小。結(jié)構(gòu)體徑流率和流速均比堆積體小，這是由于結(jié)構(gòu)體比堆積體具有更加復(fù)雜的坡面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體塊狀結(jié)構(gòu)及凹凸不平的表面增加徑流的彎曲程度，增強(qiáng)徑流入滲，較大的坡面粗糙度分散徑流的動(dòng)能。侵蝕速率與降雨的侵蝕力有關(guān)，隨時(shí)間的變化出現(xiàn)多峰多谷的特征，且隨雨強(qiáng)的增大而增大，隨場(chǎng)次的增加而減小(圖5)，這一結(jié)論與蔣芳市等在1.0 mm/min雨強(qiáng)試驗(yàn)的結(jié)果一致。與其極端雨強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果不同，分析認(rèn)為這與溝頭溯源侵蝕引發(fā)的產(chǎn)沙量劇增有關(guān)，而本試驗(yàn)過(guò)程均未觀測(cè)到溯源侵蝕。對(duì)同一場(chǎng)試驗(yàn)的不同時(shí)段分析可知，產(chǎn)流初期，引起坡面發(fā)生侵蝕的徑流率和流速較小，坡面土壤不容易被徑流搬運(yùn)，而中期隨著徑流率上升，土壤的黏結(jié)力經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)的過(guò)程，但徑流率上升的速率大于土壤黏結(jié)力增強(qiáng)的速率，從而該階段的侵蝕速率表現(xiàn)為波動(dòng)且上升的過(guò)程。產(chǎn)流后期，徑流率逐漸穩(wěn)定，而坡面被徑流搬運(yùn)的細(xì)小顆粒較少，坡面結(jié)皮和大粒徑土壤堆積導(dǎo)致坡面土壤的抗蝕能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致該階段的侵蝕速率略微下降。對(duì)同一雨強(qiáng)的連續(xù)3場(chǎng)降雨來(lái)說(shuō)，連續(xù)場(chǎng)次的降雨并不能增加侵蝕速率，反而降低侵蝕過(guò)程發(fā)生的閾值，后續(xù)場(chǎng)次的降雨比第1場(chǎng)降雨侵蝕發(fā)生的時(shí)間提前，但平均侵蝕速率表現(xiàn)為第1場(chǎng)>第2場(chǎng)>第3場(chǎng)。對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率和總侵蝕量比較后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率和總侵蝕量均大于堆積體。對(duì)雨強(qiáng)、場(chǎng)次和流速、徑流率、侵蝕速率進(jìn)行方差分析，雨強(qiáng)與各指標(biāo)的相關(guān)性均較好(表2)，而雨強(qiáng)和場(chǎng)次的交互作用并不能很好解釋與徑流率的變化關(guān)系，這說(shuō)明徑流率受雨強(qiáng)和坡面形態(tài)影響較多。

通過(guò)對(duì)徑流剪切力和徑流功率與侵蝕速率的關(guān)系對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，徑流功率是反映和揭示侵蝕發(fā)生的最優(yōu)參數(shù)。徑流剪切力與侵蝕速率有較好的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，徑流功率與侵蝕速率具有較好的線性相關(guān)關(guān)系(圖7、圖8)，這與相關(guān)的研究結(jié)論一致。在對(duì)結(jié)構(gòu)體和堆積體的可蝕性參數(shù)進(jìn)行描述時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體的可蝕性參數(shù)均大于堆積體。堆積體可蝕性參數(shù)隨雨強(qiáng)的增大而增大，結(jié)構(gòu)體1.5 mm/min的可蝕性參數(shù)最大，而同一雨強(qiáng)下，兩者的可蝕性參數(shù)均隨場(chǎng)次增大而減小。相比于堆積體，結(jié)構(gòu)體更容易受到徑流剪切力和徑流功率的影響而發(fā)生侵蝕，這一結(jié)論與王林華等和陳卓鑫等礫石條件下得出的結(jié)論具有一致性，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體與工程堆積體的礫石作用具有相似性。對(duì)于某雨強(qiáng)下徑流剪切力、徑流功率與侵蝕速率的關(guān)系而言，擬合直線或曲線并不能反映此刻的侵蝕真實(shí)發(fā)生的情況，而是給出參數(shù)與侵蝕速率之間的趨勢(shì)關(guān)系，更加關(guān)注平均徑流功率和平均徑流剪切力，圖7、圖8中2.0 mm/min第2，3場(chǎng)試驗(yàn)中徑流剪切力和徑流功率均與侵蝕速率相關(guān)性較差，這說(shuō)明引起堆積體侵蝕的臨界徑流剪切力和臨界徑流功率均不容易量化，而此時(shí)的平均徑流剪切力和平均徑流功率能夠更好地說(shuō)明侵蝕發(fā)生時(shí)侵蝕速率集中值。引入土壤結(jié)構(gòu)體這一概念對(duì)工程堆積體土壤侵蝕進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)的室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)互補(bǔ)性對(duì)照，一方面揭示結(jié)構(gòu)體與對(duì)照(堆積體)的侵蝕差異；另一方面，以符合野外實(shí)際情況的含結(jié)構(gòu)體工程堆積體進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)論更能指導(dǎo)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目工程堆積體的水土流失防治。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)構(gòu)體與堆積體的初產(chǎn)歷時(shí)受土壤特性和下墊面的影響程度較大，均隨雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加而減小，與堆積體相比，結(jié)構(gòu)體對(duì)徑流的產(chǎn)生具有更好的延緩作用。

(2)流速和徑流率均隨雨強(qiáng)和場(chǎng)次的增加而增大，并隨著時(shí)間趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)體的平均流速和平均徑流率均小于堆積體，結(jié)構(gòu)體流速和徑流率快速增加和趨于穩(wěn)定的時(shí)間均較堆積體提前，且用時(shí)更短。

(3)雨強(qiáng)和場(chǎng)次均對(duì)堆積體和結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率、流速和徑流率有顯著影響，且雨強(qiáng)對(duì)侵蝕速率、流速和徑流率的貢獻(xiàn)率較大；侵蝕速率與雨強(qiáng)呈正相關(guān)，與降雨場(chǎng)次呈負(fù)相關(guān)，不同場(chǎng)次間和不同雨強(qiáng)下結(jié)構(gòu)體的侵蝕速率均大于堆積體，總侵蝕量與雨強(qiáng)和降雨場(chǎng)次的關(guān)系和侵蝕速率相似，且總侵蝕量與雨強(qiáng)有較好的線性相關(guān)關(guān)系。

(4)侵蝕速率分別與徑流剪切力、徑流功率存在冪函數(shù)相關(guān)、線性相關(guān)關(guān)系，結(jié)構(gòu)體的擬合優(yōu)度大于堆積體，徑流功率是描述堆積體和結(jié)構(gòu)體侵蝕動(dòng)力過(guò)程的合理參數(shù)，結(jié)構(gòu)體發(fā)生侵蝕的臨界徑流剪切力和徑流功率均小于堆積體。